Astronomía

Fotómetro frente a cámara CCD

Fotómetro frente a cámara CCD



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El artículo de Wikipedia sobre fotometría dice que

Estos han sido reemplazados en gran medida por cámaras CCD que pueden tomar imágenes de múltiples objetos simultáneamente, aunque los fotómetros fotoeléctricos todavía se usan en situaciones especiales, como cuando se requiere una resolución de tiempo fina.

¿Cuánto utiliza la comunidad de investigadores hoy en día? Busqué los precios de algunos fotómetros de aquí. El dispositivo, los filtros, etc. pueden costar casi $ 2500. Se podría conseguir una buena cámara CCD por ese precio.

¿Cuáles son algunas aplicaciones en las que se necesitaría una buena resolución de tiempo (aparentemente alrededor de 1 ms)? ¿Son los fotómetros igualmente útiles con telescopios pequeños (por ejemplo, de 8 pulgadas) que los CCD?


Ha identificado correctamente un nicho para fotómetros. Otro punto a su favor solía ser que eran mucho más sensibles en la banda U que los CCD, pero creo que los CCD más nuevos casi pueden igualar o superar la respuesta de la banda U de los fotómetros.

Los CCD tardan bastante en leerse. Cuanto más rápido los lea, en términos generales, mayor será el ruido de lectura. En comparación, la salida de los fotómetros puede ser muy rápida con poco impacto en las características del ruido. Una de las maravillas de los fotómetros es también que le brindan una lectura instantánea de cuántos fotones se han detectado, lo que requiere poco análisis para proporcionar un monitoreo de señales en tiempo real.

Sin embargo, las cosas siguen adelante. Así que ahora hay están Instrumentos CCD que pueden funcionar en escalas de tiempo extremadamente rápidas. El ejemplo principal de esto es un instrumento construido y operado en el Reino Unido llamado ULTRACAM, que permite la toma de datos a 100 Hz y que utiliza un modo especial de lectura de "deriva" para lograrlo.

Volviendo a su pregunta principal: ¿cuáles son los objetivos científicos de tales instrumentos? En el enlace que proporcioné anteriormente, verá una serie de comunicados de prensa que describen parte de la ciencia. Estos van desde medir los tránsitos de los objetos transneptunianos frente a las estrellas de fondo; examinar series de tiempo detalladas de destellos en estrellas magnéticas; investigar los eclipses provocados por las enanas blancas que pasan frente a las estrellas compañeras; mirando la salida parpadeante de la acumulación de agujeros negros; intentando obtener curvas de luz con resolución de fase de la emisión óptica de púlsares que giran rápidamente y mucho más.

Una regla general es que si puede obtener una resolución de tiempo $ Delta t $, entonces está probando escalas de tamaño de $ leq c Delta t $, donde $ c $ es la velocidad de la luz. Por lo tanto, si puede obtener una resolución de 0.01s, esto corresponde a escalas de tamaño de $ leq 3000 $ km.

En cuanto a si un fotómetro sería bueno en un telescopio de 8 pulgadas, no estoy seguro. Cuando era estudiante, usé un fotómetro fotoeléctrico en un pequeño telescopio para (i) estudiar el centelleo de las estrellas como una sonda de las condiciones en la atmósfera superior, p. Ej. Stecklum (1985), que tiene escalas de tiempo del orden de $ 0.01-1 $ segundos. (ii) Para monitorear estrellas de "destellos" con una resolución de tiempo de aproximadamente un segundo en un esfuerzo por obtener información en tiempo real de modo que los espectros puedan obtenerse en varios puntos durante un destello.


Fotómetro frente a cámara CCD - Astronomía

Los telescopios ópticos de pequeña apertura (& lt1m, típicamente 20-50cm) con instrumentación de back-end adecuada (fotómetro, cámara CCD y espectrógrafo CCD, etc.) se pueden usar para difundir la alegría y la emoción de la astronomía observacional entre estudiantes de posgrado e investigación en universidades /. Sobre la base de más de una década de experiencia en la observación con pequeños telescopios ópticos, se ha demostrado ampliamente que una instalación de este tipo, que cualquier departamento universitario puede esperar adquirir y mantener, se puede utilizar eficazmente para la enseñanza y la investigación de calidad. El Departamento de Física de la Universidad Pt Ravishankar Shukla en Raipur, India, ofrece Astronomía y Astrofísica (A & ampA) como una de las especializaciones como parte del programa M Sc en Física. Se ha incorporado un conjunto de ejercicios de observación con el fin de capacitar a los estudiantes en la observación, análisis e interpretación de los datos astronómicos. Las instalaciones de observación disponibles en el departamento incluyen telescopios de apertura de 8 "-14" (serie CGE de Celestron) equipados con instrumentación de backend de última generación como fotómetro, cámara CCD y también un espectrógrafo CCD. La instalación de observación de este tipo es ideal para el monitoreo continuo de una variedad de estrellas variables y, por lo tanto, puede proporcionar datos valiosos para comprender la física de la variabilidad estelar. Esto es especialmente cierto para una clase de estrellas variables conocidas como estrellas cromosféricamente activas. Las estrellas que pertenecen a esta clase tienen curvas de luz variables, y la característica más desconcertante es que sus curvas de luz cambian año tras año de una manera bastante extraña. Una gran fracción de estas estrellas activas son brillantes y, de ahí la importancia del telescopio de pequeña apertura para recopilar los datos fotométricos que tanto se necesitan. Durante más de una década, la actividad de investigación con telescopios ópticos de 14 "se ha centrado en el seguimiento fotométrico de estrellas activas bien conocidas y sospechosas. Esto, junto con los datos espectroscópicos que utilizan las instalaciones de observación de los observatorios de la India, ha llevado a la identificación de nuevas estrellas cromospericamente activas. La charla es con el objetivo de compartir nuestras experiencias citando ejemplos con colegas profesionales sobre el uso de pequeños telescopios ópticos para la docencia y la investigación en Colegios / Universidades.


Requisitos del sistema y del sensor de imágenes

Cualquier sistema de imágenes debe diseñarse para cumplir con algunos requisitos particulares, y muchos de ellos se centran en la elección del sensor óptico. Para comenzar, considere el material que necesita para su rango de longitud de onda, luego compare aspectos como la resolución, el tiempo de respuesta y la linealidad.

Material activo y rango de detección

El material activo utilizado en su sensor determinará el rango de longitud de onda sensible, las pérdidas de cola de banda y la sensibilidad a la temperatura. Es posible que esté trabajando en los rangos infrarrojo, visible o ultravioleta, según su aplicación. Para los sistemas de cámara, querrá sensibilidad en todo el rango visible, a menos que esté trabajando en un sistema de imagen térmica. Para aplicaciones de imágenes especializadas, como imágenes de fluorescencia, es posible que trabaje en cualquier lugar desde el rango de infrarrojos a los rayos ultravioleta.

Algunos materiales activos aún se encuentran en la etapa de investigación, mientras que otros están fácilmente disponibles como componentes comercializados. Si está comparando componentes de sensor CCD con CMOS, el material activo es un buen lugar para comenzar a seleccionar sensores candidatos.

    Si: Este es el material más común utilizado en sensores de imágenes. Su banda prohibida indirecta de 1,1 eV (

Hay otros materiales disponibles para su uso como sensores de imagen, aunque estos se usan normalmente en fotodiodos y no se comercializan mucho. Si está trabajando en el rango visible, Si es la ruta a seguir, ya que tendrá sensibilidad en longitudes de onda de

1050 nm. Si está trabajando profundamente en el rango de infrarrojos, querrá usar InGaAs. Los sensores Si CCD y CMOS se pueden utilizar para longitudes de onda UV, pero solo cuando el sensor tiene un tratamiento de superficie especial para evitar la ablación.

/>Los filtros de color se utilizan a menudo en sensores CCD y CMOS para formar imágenes monocromas o filtrar longitudes de onda específicas. Es común ver sensores CCD y CMOS con un filtro de vidrio de corte afilado o una película delgada para eliminar las longitudes de onda IR.

Velocidad de fotogramas, resolución y ruido

La velocidad de fotogramas está determinada por la forma en que se leen los datos del detector. El detector está compuesto por píxeles discretos y los datos deben leerse de los píxeles de forma secuencial. El método para leer píxeles determina la velocidad a la que se pueden adquirir imágenes o mediciones. Los sensores CMOS utilizan un esquema de direccionamiento, donde el sensor y cada píxel se leen individualmente. Por el contrario, los CCD utilizan la exposición global y leen cada columna de píxeles con un par de registros de desplazamiento y un ADC.

Debido a que estos sensores utilizan diferentes métodos de lectura, varios módulos de sensores requieren diferentes componentes integrados. Aquí es donde comienza la comparación real, ya que la electrónica integrada determinará las cifras de ruido, la linealidad, la capacidad de respuesta, la profundidad del color (número de colores que se pueden reproducir) y el límite de detección. La siguiente tabla muestra una breve comparación de las métricas de imágenes importantes para los sensores CCD y CMOS.

CCDCMOS
ResoluciónHasta más de 100 megapíxelesHasta más de 100 megapíxeles
Cuadros por segundoLo mejor para velocidades de cuadro más bajasLo mejor para velocidades de cuadro más altas
Figura de ruidoMenor piso de ruido → Mayor calidad de imagenNivel de ruido más alto → Calidad de imagen más baja
Responsividad y linealidadMenor capacidad de respuesta, rango lineal más amplioMayor capacidad de respuesta, menor rango lineal (se satura temprano)
Límite de detecciónBaja (más sensible a baja intensidad)Alto (menos sensible a baja intensidad)
Profundidad del colorMás alto (más de 16 bits es típico para CCD costosos)Más bajo, aunque se vuelve comparable a los CCD (12-16 bits es típico)


Fotómetro frente a cámara CCD - Astronomía

No obstante, hubo problemas con las placas fotográficas: tenían solo un rango dinámico limitado y su respuesta al brillo de la luz que iluminaba no era lineal, lo que provocaba problemas de calibración persistentes. A mediados del siglo XX. fotómetros fotoeléctricos Se desarrollaron: dispositivos electrónicos más sensibles, precisos, lineales y con un rango dinámico más amplio que la placa fotográfica. Sin embargo, no eran dispositivos de imágenes: simplemente producían una salida única correspondiente al brillo de un punto en el cielo.

En muchos sentidos, los CCD (Dispositivos de par de carga) combinan las ventajas de las placas fotográficas y los fotómetros fotoeléctricos, aunque sus principios de funcionamiento son muy diferentes de ambos. Tienen una alta sensibilidad, respuesta lineal, amplio rango dinámico y son dispositivos de imágenes que registran una imagen de la región del cielo que se está viendo. (Los dispositivos de imágenes a veces se denominan, quizás algo grandilocuentemente, detectores panorámicos.)

El CCD fue inventado en 1969 por W.S. & # X00A0Boyle y G.E. & # X00A0Smith del Laboratorio Bell. No estaban interesados ​​en los detectores astronómicos (y, de hecho, estaban investigando técnicas para su posible uso en un & # x2018picture-phone & # x2019). De hecho, la mayoría de las aplicaciones de los CCD no son astronómicas. Los CCD se utilizaron por primera vez en astronomía en 1976 cuando J. & # X00A0Janesick y B. & # X00A0Smith obtuvieron imágenes de Júpiter, Saturno y Urano utilizando un detector CCD conectado al telescopio de 61 pulgadas en el monte Bigelow en Arizona. Los CCD se adoptaron rápidamente en astronomía y ahora son omnipresentes: son fácilmente los dispositivos de imágenes más populares y extendidos utilizados en longitudes de onda ópticas e infrarrojas cercanas.

Un CCD se describe mejor como un chip semiconductor, una cara del cual es sensible a la luz (consulte la Figura & # x00A01). La cara sensible a la luz tiene forma rectangular y está subdividida en una cuadrícula de áreas rectangulares discretas (elementos de imagen o pixeles) cada uno de unos 10-30 micrones de ancho. El CCD se coloca en el plano focal de un telescopio para que la superficie sensible a la luz se ilumine y se forme una imagen del campo del cielo que se está viendo. La llegada de un fotón a un píxel genera una pequeña carga eléctrica que se almacena para su posterior lectura. El tamaño de la carga aumenta acumulativamente a medida que más fotones golpean la superficie: cuanto más brillante es la iluminación, mayor es la carga. Esta descripción es el más simple esbozo de un tema complicado y complicado. Para obtener más detalles, consulte algunas de las referencias en la Sección & # x00A02 o las páginas web sobre construcción de CCD mantenidas por la Universidad de Oregon. Las cuadrículas de píxeles del CCD suelen ser cuadradas y el número de píxeles de cada lado a menudo refleja la predilección de la industria informática por las potencias de dos. Los primeros CCD utilizados en la década de 1970 a menudo tenían 64 & # x00D7 64 elementos. 256 & # x00D7 256 o 512 & # x00D7 Los chips de 512 elementos eran típicos en la década de 1980 y 1024 & # x00D7 1024 o 2048 & # x00D7 Los chips de 2048 elementos son comunes ahora.

Un CCD aislado es solo un chip semiconductor. Para convertirlo en un instrumento astronómico utilizable, debe estar conectado a algunos dispositivos electrónicos para alimentarlo, controlarlo y leerlo. Mediante el uso de algunos circuitos de reloj, un amplificador y un convertidor rápido de analógico a digital (ADC), generalmente con una precisión de 16 bits, es posible estimar la cantidad de luz que ha caído sobre cada píxel examinando la cantidad de carga. se ha acumulado. Así, la carga acumulada en cada píxel se convierte en un número. Este número está en & # x2018units & # x2019 arbitrarios de los llamados & # x2018unidades de datos analógicos& # x2019 (ADU) es decir, aún no está calibrado en unidades físicas. La Factor ADC es la constante de proporcionalidad para convertir las ADU en la cantidad de carga (expresada como un número de electrones) almacenada en cada píxel. Este factor es necesario durante la reducción de datos y generalmente se incluye en la documentación del instrumento. El chip se colocará generalmente en un matraz aislante y se enfriará (a menudo con nitrógeno líquido) para reducir el nivel de ruido y habrá los accesorios habituales de los instrumentos astronómicos: persianas, ruedas de filtro etc. A todo el instrumento se le suele denominar Cámara CCD. Otros sinónimos que a veces se encuentran son fotómetro de área, fotómetro panorámico o fotómetro de matriz.

Los componentes electrónicos que controlan el chip CCD están conectados a una computadora que a su vez los controla. Así, las imágenes observadas por el CCD se transfieren directamente a la memoria de la computadora, sin una etapa analógica intermedia, desde donde se pueden graficar en un dispositivo de visualización de imágenes o escribir en un disco magnético o cinta. Normalmente, regresará de una sesión de observación con un cartucho de cinta magnética de algún tipo que contenga copias de las imágenes que observó.

4.1 Ventajas y desventajas de los CCD

Las principales ventajas de los CCD son su sensibilidad, rango dinámico y linealidad. La sensibilidad, o eficiencia cuántica, es simplemente la fracción de fotones incidentes en el chip que se detectan. Es común que los CCD logren una eficiencia cuántica de aproximadamente el 80%. Compare esta cifra con sólo un pequeño porcentaje incluso para placas fotográficas sensibilizadas. Los CCD también son sensibles a una amplia gama de longitudes de onda y son mucho más sensibles a la luz roja que las placas fotográficas o los tubos fotomultiplicadores utilizados en los fotómetros fotoeléctricos (consulte la Figura & # x00A02). Sin embargo, tienen una mala respuesta a la luz azul y ultravioleta.

Los CCD son sensibles a una amplia gama de niveles de luz: un gama dinámica (es decir, la relación entre la señal más brillante detectable con precisión y la más débil) es aproximadamente 1 0 5, lo que corresponde a un rango de aproximadamente 14,5 magnitudes. Las cifras correspondientes para una placa fotográfica son un rango de menos de aproximadamente 1000 correspondientes a 7,5 magnitudes. Además, dentro de este rango dinámico, la respuesta es esencialmente lineal: el tamaño de la señal es simplemente proporcional al número de fotones detectados, lo que simplifica la calibración.

La principal desventaja de los CCD es que son físicamente pequeños y, en consecuencia, solo pueden obtener imágenes de una pequeña región del cielo. Los tamaños típicos son de 1,0 a 7,5 cm de ancho, mucho más pequeños que las placas fotográficas. Existe un límite práctico para el tamaño de los CCD debido al tiempo necesario para leerlos. Por lo tanto, para obtener imágenes de una gran área del cielo, es habitual colocar varios chips en una cuadrícula (o mosaico) en el plano focal en lugar de fabricar un solo chip enorme. El gran CCD en primer plano en la Figura & # x00A01 es en realidad un mosaico de ocho chips.

4.2 Tamaño de píxel y campo de visión

En las imágenes observadas cerca del eje óptico de un telescopio bien diseñado, un desplazamiento angular en el cielo es simplemente proporcional a un desplazamiento lineal en la posición en el plano focal. La constante de proporcionalidad generalmente se llama escala de placa (nombre que delata su origen en técnicas fotográficas) y tradicionalmente se cita en unidades de segundos de arco / mm. Es decir:

p = & # x0394 & # x201D / & # x0394 m m (1)

donde p es la escala de la placa en segundos de arco / mm, & # x0394 & # x201D es un desplazamiento en el cielo en segundos de arco y & # x0394 m m es el desplazamiento correspondiente en el plano focal en mm. Si conoce la escala de la placa y el tamaño de un solo píxel en la cuadrícula o el tamaño lineal del CCD, entonces es trivial usar la Ecuación & # x00A01 para calcular el ángulo en el cielo subtendido por un solo píxel o el campo de vista del CCD respectivamente. Por ejemplo, los datos de muestra utilizados en la Parte & # x00A0II del libro de cocina se obtuvieron con el Telescopio Jacobus Kapteyn (JKT) en La Palma. El detector CCD utilizado tiene píxeles que tienen un tamaño de 24 & # x00D7 24 micrones. La escala de la placa del JKT es de 13,8 segundos de arco / mm. Por lo tanto, cada píxel subtiende un ángulo de 0.331 & # x00D7 0.331 segundos de arco en el cielo.

El manual del instrumento o telescopio que está utilizando normalmente indicará un valor para la escala de la placa. Sin embargo, si es necesario, se puede calcular a partir de otros parámetros del telescopio. Por geometría simple, la escala de la placa es el recíproco de la distancia focal efectiva del sistema:

p & # x2032 = 1 / f (2)

donde f es la distancia focal efectiva del sistema yp & # x2032 es la escala de la placa en unidades de & # x2018radianes / cualquiera que sea la unidad f en & # x2019. Por lo tanto, para f en metros y aplicando el factor para convertir radianes a segundos de arco:

p = 2 0 6. 2 6 / f (3)

f está relacionada en sí misma con el diámetro del espejo primario, D, y la relación focal, F:

f = F. D (4)

A mayores distancias del eje óptico ya no existe una relación lineal simple entre el desplazamiento angular en el cielo y el desplazamiento en la posición en la superficie focal. Es decir, p varía en función de la posición en la superficie focal. Este efecto generalmente no es importante en instrumentos que contienen un solo chip debido al pequeño tamaño de los CCD individuales. Sin embargo, puede ser importante si se utiliza una cuadrícula de chips.


Fotómetro frente a cámara CCD - Astronomía

El nuevo Fotómetro Universal Búlgaro-Ucraniano (BUP) fue diseñado en el Laboratorio del Instituto de Astronomía de la Academia de Ciencias de Bulgaria y en el Observatorio Astronómico Principal de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania. El fotómetro tiene una estructura modular. Se puede utilizar tanto para fotometría fotoeléctrica monocanal como para fotometría CCD. El fotómetro fotoeléctrico se basa en un fotomultiplicador EMI 9789 QA enfriado por un Peltier de dos cascadas. Para la fotometría CCD se utiliza una cámara CCD SBIG ST-8. Los componentes principales del fotómetro son: cabezal del fotómetro, módulo de control y conteo, módulo de registro de fotones, cámara CCD, computadora personal y software. El fotómetro es capaz de trabajar con el telescopio Cassegrain de 60 cm en el Observatorio Belogradchik y con el telescopio RCC de 2 m en el Observatorio Astronómico Nacional - Rozhen. Es adecuado para observar estrellas variables, galaxias, cúmulos estelares, asteroides. Se presentan algunas primeras observaciones realizadas con BUP acoplado al telescopio de 60 cm en el Observatorio Belogradchik y al telescopio de 2 m en NAO-Rozhen.


El Observatorio

El Observatorio de Gettysburg College está ubicado en el extremo noroeste del campus de Gettysburg College. Se encuentra más allá del Edificio Oeste y el Centro de Atletismo, Recreación y Fitness, justo debajo del famoso Seminary Ridge de Gettysburg.

La cúpula del Observatorio alberga un reflector Ealing Cassegrain de 16 pulgadas f / 11 controlado por computadora, que se ejecuta desde una "habitación cálida" adyacente. El sistema de control del observatorio y la impulsión del telescopio, construido en 1996 por Astronomical Consultants and Equipment (ACE) de Tucson, Arizona, proporciona un control completo por computadora del domo, el telescopio y la caja del filtro.

El observatorio se utiliza para obtener imágenes y para fotometría de estrellas variables, y en cada estación de observación se utilizan carros de observación individuales que contienen PC dedicadas.

  • Ealing Telescopio Cassegrain de 16 pulgadas, un instrumento de calidad para la investigación. El telescopio está equipado con una cámara CCD sensible Cámara fotométrica CCD CH350 enfriada termoeléctricamente con un chip SITE 003B 1024 x 1024 retroiluminado y un fotómetro fotoeléctrico computarizado, lo que permite tomar fotografías de objetos celestes débiles y almacenarlas en discos de computadora.
  • Seis telescopios Meade
    • Tres telescopios LX200 - Schmidt-Cassegrain de 8 pulgadas, un telescopio GPS LX200 de 10 pulgadas, un telescopio GPS LX200 de 8 pulgadas y un telescopio Maksutov-Cassegrain de 7 pulgadas.
    • Los telescopios de Meade están equipados con pequeñas cámaras CCD (ST6, ST-7 y Lynxx-PC) que se pueden "mover" o montar en pilares de hormigón ubicados junto al observatorio.
    • Pequeño radiotelescopio (SRT) Haystack de 3,1 metros.

    El equipo está disponible para que lo usen los estudiantes de astronomía y aquellos en los laboratorios avanzados de física y astronomía.


    CCD de área grande para estudios de imágenes y espectroscópicos

    El enfoque innovador de Andor & rsquos para un rendimiento ultra alto ha entregado iKon-XL, una plataforma CCD de área muy grande que enfría de manera única un sensor retroiluminado de 16,8 MEGAPÍXELES a -100 & degC. La cámara iKon-L de 4 megapíxeles ha sido durante mucho tiempo el detector principal para muchos proyectos de observación, incluidos los programas de exoplanetas SuperWasp y Next Generation Transit Survey.

    • CCD retroiluminados de 16,8 megapíxeles (e2v)
    • Enfriamiento TE a -100 & degC - SIN nitrógeno líquido ni crioenfriamiento
    • Optimización del infrarrojo cercano: detección de estrellas enanas
    • Tecnología de rango dinámico extendido de 18 bits

    Aplicación clave: Detección de exoplanetas (Velocimetría radial y de tránsito), Levantamiento espectroscópico de campo amplio, Fotometría, Detección de supernovas.


    ¿Qué es una cámara CCD? (con foto)

    Una cámara CCD es cualquier tipo de cámara digital con un sensor de imagen de dispositivo de carga acoplada (CCD). Esto incluye la gran mayoría de cámaras fotográficas de consumo y profesionales, cámaras de video, cámaras de seguridad, cámaras de teléfonos celulares y cámaras médicas. Los CCD son muy eficientes, generalmente capturan alrededor del 70 por ciento de la luz incidente, a diferencia de la película fotográfica que solo responde a alrededor del dos por ciento de la luz incidente. Los CCD también son sensibles a la luz infrarroja, lo que los hace ideales para cámaras de vigilancia de visión nocturna y aplicaciones de astronomía. Si bien algunas cámaras utilizan un sensor de imagen de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS), el CCD es el tipo más común. & # 13

    La mayoría de las cámaras CCD utilizan un dispositivo acoplado de carga única para recopilar datos de imagen, ya sea que la cámara esté diseñada para funcionamiento monocromático, en color o infrarrojo. En este caso, la luz entra a través de la lente, se filtra y luego se enfoca sobre la superficie de una única matriz de sensores de imagen fotoeléctricos. Muchas cámaras de video profesionales, conocidas como cámaras de "tres CCD" o "tres chips", contienen tres conjuntos de CCD. Con estos, la luz entrante es dividida por un prisma en sus componentes rojo, verde y azul, cada uno enfocado en su propio sensor CCD. Esto mejora la separación de colores y aumenta la sensibilidad a la luz, lo que da como resultado un sombreado de color más preciso en general y más detalles en situaciones de poca luz. & # 13

    Las máquinas de fax, los escáneres y otros tipos de cámaras de escaneo lineal utilizan un sensor de imagen CCD unidimensional para recopilar datos, moviendo el sensor o el objeto que se escanea para capturar la imagen completa. Cualquier otro tipo de cámara CCD utiliza una matriz de área bidimensional fija. El sensor CCD es un conjunto de condensadores fotoactivos acoplados que acumulan cargas en función de la intensidad, duración y longitud de onda de la luz que se enfoca sobre ellos. Una vez expuesto a una imagen, el controlador del sensor cambia la carga de cada condensador a su vecino en la matriz. Esto crea un efecto dominó en toda la matriz, desplazando el último conjunto de cargas fuera del chip a un digitalizador separado, este digitalizador las convierte en valores numéricos para ser almacenados en la memoria de la cámara. & # 13

    La forma en que la cámara CCD almacena y recupera los datos de imágenes suele afectar el diseño del sistema. El método de fotograma completo utiliza todo el CCD para la recolección de luz y requiere un obturador mecánico para evitar manchas cuando los datos de la imagen se transfieren fuera del chip. Este diseño es ideal cuando se recolecta la mayor cantidad de luz y la mejor imagen es más importante que el costo, el tiempo y el consumo de energía. El método interlínea utiliza todas las demás columnas del CCD para almacenar rápidamente los datos de carga de la imagen con un desplazamiento de un píxel, evitando manchas y eliminando la necesidad de un obturador mecánico a costa de la eficiencia. Alternativamente, el método de transferencia de fotogramas se puede implementar con una cantidad aceptable de manchas y sin obturador mecánico. La transferencia de fotogramas utiliza la mitad del CCD para el almacenamiento y la recuperación de carga, mientras que la otra mitad acumula una nueva imagen, por lo que requiere el doble de silicio para manejar una imagen del mismo tamaño. & # 13

    Las cámaras CCD especializadas se utilizan en astronomía porque son sensibles a las longitudes de onda de la luz, desde la ultravioleta hasta la infrarroja. De hecho, son tan sensibles que se deben tomar muchas medidas adicionales para reducir la cantidad de "ruido" que distorsiona la imagen, incluido el enfriamiento del CCD a temperaturas de nitrógeno líquido. Con la cantidad adecuada de compensación y procesamiento de imágenes, la astrofotografía con calidad de observatorio se ha vuelto accesible para aficionados serios y dedicados armados con equipos de cámara CCD. & # 13


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    Astrofotografía: cámaras en color frente a monocromo con filtros

    Por: Richard S. Wright Jr. 16 de septiembre de 2019 0

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    ¿Qué es mejor para la astrofotografía, una cámara a color o una mono? ¡Ambos por supuesto!

    Anteriormente, les supliqué a los principiantes que comenzaran con cámaras monocromas. Son más sensibles y producen imágenes en blanco y negro que son más fáciles de aprender a calibrar y ajustar. Las imágenes en blanco y negro pueden ser bastante hermosas y revelar sutiles contrastes y matices en formas que el color no puede. No fue mi blog más popular. La gente solo quiere color.

    Filtros de colores que giran en su lugar frente a una cámara monocromática.
    Richard S. Wright Jr.

    Está bien, pero las cámaras monocromáticas también pueden producir imágenes en color cuando se combinan con una rueda de filtros. ¿Es esa una mejor ruta que usar una cámara en color de un solo disparo (OSC)? Bueno, eso es como preguntar qué es mejor, ¿un coche o una camioneta? Eso depende de lo que quieras de tu vehículo. Conozco gente que tiene tanto un coche como una camioneta y, al igual que ellos, utilizo ambos enfoques para crear mis imágenes en color.

    El enfoque de imágenes más versátil es utilizar un sensor monocromático combinado con una rueda de filtros. Con esta configuración, puede tomar fotografías en color con filtros rojo, verde y azul. También puede tomar una imagen sin filtros, que luego puede combinar con sus datos de color para mejorar en gran medida su relación señal / ruido.

    Además, las cámaras monocromáticas pueden capturar imágenes en regiones particulares del espectro, incluso más allá de la luz visible, cuando se combinan con filtros de banda estrecha. El análisis de la luz en estas longitudes de onda específicas puede enseñarnos más sobre el objetivo de la imagen que lo que se puede obtener de una imagen en color RGB.

    Se combina una exposición separada de rojo, verde y azul para crear una imagen en color con una relación señal / ruido alta.
    Richard S. Wright Jr.

    Los usuarios de cámaras en color sacrifican parte de esta libertad creativa (y datos científicamente útiles) por la conveniencia de tomar una sola exposición para crear una imagen en color. Para su crédito, el procesamiento de datos OSC es mucho menos complicado que ensamblar una imagen en color a partir de varios canales de color separados. Pero algunos creen erróneamente que una sola exposición OSC le da tres veces los datos de una cámara monocromática, que requiere tres exposiciones.

    Esta imagen de banda estrecha muestra hidrógeno, oxígeno y azufre ionizados
    gRichard S. Wright Jr.

    Independientemente de si está filmando M42, la Nebulosa de Orión o la fiesta de cumpleaños de su hijo, el sensor de una cámara a color se compone de píxeles individuales con pequeños filtros que registran la luz roja, verde y azul. El detector está dividido en una cuadrícula con patrón, conocida como filtro Bayer, que contiene un 25% de píxeles filtrados en rojo, un 50% de verde y un 25% de azul. La imagen de salida final usa estos datos de color pero llena los espacios entre píxeles con un valor derivado de los píxeles adyacentes en un proceso matemático llamado interpolación. Esto funciona bastante bien y es la base de casi todas las cámaras a color disponibles en la actualidad.

    Pero los usuarios de cámaras OSC deben entender que los datos rellenados no son "reales", ni ayudan a la importantísima relación señal / ruido de su imagen. Una sola exposición OSC recibe ¼ de la cantidad de datos rojos y azules, y ½ de los datos verdes en comparación con una sola exposición con una cámara monocromática y un filtro.

    No hay ningún atajo. Diez minutos de datos son 10 minutos de datos, independientemente de que sean monocromáticos o de un solo color. Un sensor de color es en realidad solo un sensor mono con los filtros de color depositados en la parte superior de los píxeles.

    Entonces, ¿realmente obtienes los mismos resultados con las cámaras OSC y mono? De nuevo, no del todo. En comparación con un filtro de color de alta transmisión frente a una cámara monocromática, la matriz de Bayer bloquea aproximadamente un 30% más de luz y, con algunos fabricantes, se puede bloquear hasta un 50% de luz adicional. Eso es mucha señal perdida.

    Creación de una imagen en color completa con los datos de la cámara OSC.
    Cielo y telescopio amp

    En términos de rendimiento bruto y relación S / N utilizando sensores equivalentes, mono gana sin duda alguna. . . si piensas como un ingeniero. Ahora pensemos en ello como un usuario final.

    Procesar datos OSC es mucho más fácil que crear una imagen en color a partir de datos monocromáticos. Para algunas personas, esto es un gran problema (¡especialmente si no son ingenieros y no disfrutan dedicar más tiempo a procesar datos en su computadora!). Todo lo que realmente se necesita es más tiempo de exposición para que los datos OSC se pongan al día con el enfoque monocromático. Esta es una compensación perfectamente válida.

    La misma noche, la misma óptica, sensor Sony 814c frente a 814 mono con filtros. Ambas imágenes tienen una exposición total de 12 minutos, pero la de abajo (RGB) exhibe un poco menos de ruido y una respuesta roja y azul más fuerte (estirada, lo más cercana al crudo como sea posible).
    Richard S. Wright Jr.

    Además, los sensores actuales son mucho más sensibles que hace unos años. Si no está comparando los mismos sensores, un sensor OSC de nueva generación puede tener mejor sensibilidad y / o menor ruido de lectura que una cámara monocromática de generación anterior. Si está actualizando una cámara monocromática antigua a una cámara en color más nueva, es posible que vea un buen aumento en el rendimiento, a pesar de tomar la ruta OSC.

    El flujo de trabajo también es importante. I’ve done many imaging runs where I have 3-hours of red data, 45-minutes of green data, but no blue data because the weather turned unexpectedly cloudy. Do you need to refocus between filters? Sometimes no, and sometimes this is a showstopper. Are you traveling and so need to get all your data in one unpredictable night? Is a filter wheel just one more thing that can go wrong while you are on the road? Target selection is also important: Maybe you're photographing a bright target, and a little loss in signal isn't going to be too big of a deal. Maybe too you have a very fast optic like a RASA f/2 system or a very fast camera lens. In those cases, you're getting so much signal so fast that exposing just a little bit longer is no serious burden at all.

    In all of these cases, a color camera might be the better bet. So, car or truck? Sure, a truck can carry a heavier load, but sometimes it's nice to just put the top down and enjoy the ride.